柔性桿自動(dòng)推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)

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Based on the single point optical fiber grating sensing head of the endoscope shape sensing system is the use of a single point sensing head along the endoscope working channel in the endoscope forceps forward on a series of points equidistant from the collection wavelength to shape perception. This requires the design of a sensor in mechanical device. The sensor into the endoscope in two ways: active guidance and intervention of foreign powers. As the endoscope forceps channel diameter less than 3mm, length of about 1000 mm, so the optical fiber grating sensing head intervention should not use active guide way. Based on the study of flexible rod, as well as how to improve the flexible rod propulsion device was studied, using the friction wheel as a driving component to promote small diameter linear sensor automatic propulsion system, sensor is clamped between the two friction wheels between the recesses, rely on friction wheel and a sensor surface friction, friction and extrusion of intervention fiber Bragg grating sensor. Through the handle on the spring to adjust the gap between the two friction wheels, also can change intervention force. Key Words: Flexible rod, a propulsion device, a friction wheel, extrusion IV 目 錄 摘 要 .I Abstract .II 目 錄 .III 第 1 章 緒論 .1 第 2 章 設(shè)計(jì)方案的選擇與分析 .3 2.1 利用摩擦輪連續(xù)介入機(jī)構(gòu)及工作原理 .3 2.1.1 連續(xù)介入結(jié)構(gòu)工作原理 .3 2.1.2 推進(jìn)裝置設(shè)計(jì) .4 2.2 間歇送進(jìn)機(jī)構(gòu)及其工作原理 .5 2.2.1 機(jī)構(gòu)原理 .5 2.3 方案的選擇 .6 2.4 主要參數(shù)設(shè)計(jì) .6 2.5 課題任務(wù) .6 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) .7 3.1 連續(xù)介入機(jī)構(gòu)的原理分析 .7 3.1.1 推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì) .7 3.2 機(jī)械手夾持力和位移分析 .8 3.2.1 機(jī)械手夾持力分析 .8 3.2.2 位移分析 .8 3.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算及電機(jī)的選型 .9 第 4 章 裝置零件設(shè)計(jì)及校核 .11 4.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .11 4.1.1 軸的設(shè)計(jì) .11 4.1.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .12 4.1.3 軸的校核 .12 V 4.2 齒輪設(shè)計(jì) .16 4.3 軸承的選擇以及計(jì)算 .18 4.4 鍵連接的選擇以及校核計(jì)算 .20 總結(jié)與展望 .21 參考文獻(xiàn) .23 致 謝 .24 附錄：零件圖與裝配圖 .25 1. 齒輪軸零件圖 1.25 2. 齒輪軸零件圖 2.25 3 齒輪軸零件圖 3.25 4 傳動(dòng)圖 .25 5 殼體 1.25 6 殼體 2.25 7 殼體 3.25 8 裝配圖 .25 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 隨著新型傳感技術(shù)、機(jī)械電子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、智能材料和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等 相關(guān)學(xué)科的發(fā)展、融合，臨床上新型智能醫(yī)療器械不斷出現(xiàn)，有效地拓展了傳統(tǒng)醫(yī)療 器械的功能和診療領(lǐng)域。結(jié)腸內(nèi)窺鏡是結(jié)腸疾病診療的重要醫(yī)療器械，由于工作環(huán)境 的復(fù)雜性和自身形狀不可視等不足，傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡在介入過(guò)程中會(huì)發(fā)生鏡體纏繞、非預(yù) 期結(jié)襻等情況，給病人帶來(lái)痛苦和危險(xiǎn)?；谄惹械腎臨床需求和良好的市場(chǎng)前景，用 智能傳感器技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及可視化技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新研究已 經(jīng)在世界范圍內(nèi)展開(kāi)。其中，新型的內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng)是該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 現(xiàn)有內(nèi)窺纖維鏡是利用操作人員的外部推力介入到人體被檢腔道中的, 是一種被動(dòng) 方式, 帶有一定柔性的裝置在腔道組織上滑行時(shí), 對(duì)腔道壁面產(chǎn)生壓力, 有可能對(duì)人體 內(nèi)部軟組織造成擦傷和拉傷, 一旦這個(gè)壓力超過(guò)一定的閾值, 還可造成組織破損(穿孔)。 同時(shí)人體腔道結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜, 以結(jié)腸為例, 存在多處彎道, 僅憑手感要把內(nèi)窺纖維鏡順 利插入到深處并非易事, 據(jù)統(tǒng)計(jì), 經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練、 有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)務(wù)人員把纖維鏡插到結(jié) 腸遠(yuǎn)端( 盲腸部 )的概率僅為 85 90%。鑒于這種情況 , 內(nèi)窺鏡檢查和手術(shù)基本上在技 術(shù)水平較高的大醫(yī)院中進(jìn)行, 而且對(duì)操作醫(yī)師要求很高。 經(jīng)常需要多個(gè)醫(yī)師配合, 一 般一例檢查為 40 60 分鐘。大大增加了難度和危險(xiǎn)性。 在這種情況下，人們對(duì)如何改進(jìn)推進(jìn)裝置進(jìn)行了研究，利用摩擦輪作為傳動(dòng)部件 來(lái)推進(jìn)細(xì)徑線狀傳感器的自動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)， 傳感器被夾持在兩摩擦輪凹槽之間，依靠摩 擦輪和傳感器表面之間的摩擦力，利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光柵傳感器。通過(guò) 手柄上的彈簧調(diào)整兩摩擦輪之間的間隙，還可以靈活改變介入力大小。在介紹了相應(yīng) 的安裝了光電碼盤(pán)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)和工作原理之后給出了系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。并 給出了推進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該自動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足智 能化漸進(jìn)式內(nèi)窺鏡形狀感知和重建的要求。 傳統(tǒng)的介入方式將會(huì)造成的危害是難以想象的，將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是利用自動(dòng)來(lái)代 替手動(dòng)，利用摩擦輪，借助于摩擦力來(lái)推進(jìn)傳感器的。摩擦輪推進(jìn)是直接接觸的，所 占空間小，推進(jìn)零件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，工作時(shí)噪音很小。基于以上 考慮，本系統(tǒng)使用兩個(gè)大小相等的帶有凹槽的摩擦輪，傳感器被夾持在兩摩擦輪凹槽 之間，依靠摩擦輪和傳感器表面之間的摩擦力，利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光柵 第 1 章 緒論 2 傳感器。 而如今，隨著機(jī)械行業(yè)的迅猛發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷改進(jìn)，而且 它們的價(jià)格也日益降低，可靠性也逐步提高，用自動(dòng)化的方式把內(nèi)窺鏡推入腸胃當(dāng)中 不僅可以達(dá)到而且容易實(shí)現(xiàn)的，難度和危險(xiǎn)性大大降低。 它的發(fā)展趨勢(shì)可以放在以下幾個(gè)方面： 1 提高內(nèi)窺檢查效率； 2 減少醫(yī)療事故發(fā)生； 3 減少對(duì)腔道組織損害程度、使用可靠、安全； 4 操作簡(jiǎn)便、減輕醫(yī)務(wù)人員工作強(qiáng)度； 用高新技術(shù)來(lái)解決相關(guān)問(wèn)題，將智能儀器代替勞動(dòng)力為已成為我們機(jī)械行業(yè)的任 務(wù)，以此來(lái)加強(qiáng)機(jī)械智能化,工業(yè)化建設(shè)，提高人民的生活水平。 第 2 章 設(shè)計(jì)方案的選擇與分析 3 第 2 章 設(shè)計(jì)方案的選擇與分析 2.1 利用摩擦輪連續(xù)介入機(jī)構(gòu)及工作原理 2.1.1 連續(xù)介入結(jié)構(gòu)工作原理 利用兩個(gè)或兩個(gè)以上互相壓緊的輪子間的摩擦力傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。摩 擦輪傳動(dòng)可分為定傳動(dòng)比傳動(dòng)和變傳動(dòng)比傳動(dòng)兩類(lèi)。傳動(dòng)比基本固定的定傳動(dòng)比摩擦 輪傳動(dòng) 圓柱平摩擦輪傳動(dòng) 圓柱槽摩擦輪傳動(dòng) 圓錐摩擦輪傳動(dòng) 圖 2.1 摩擦輪傳動(dòng)， 又分為圓柱平摩擦輪傳動(dòng)、圓柱槽摩擦輪傳動(dòng)和圓錐摩擦輪傳動(dòng) 3 種型式如圖 2.1 所示。前兩種型式用于兩平行軸之間的傳動(dòng)，后一種型式用于兩交叉軸 之間的傳動(dòng)。工作時(shí)，摩擦輪之間必須有足夠的壓緊力，以免產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，損 壞摩 擦輪，影響正常傳動(dòng)。在相同徑向壓力的條件下，槽摩擦輪傳動(dòng)可以產(chǎn)生較大的摩擦 力,比平摩擦輪具有較高的傳動(dòng)能力,但槽輪易于磨損。變傳動(dòng)比摩擦輪傳動(dòng)易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí) 變速， 并具有較大的調(diào)速幅度。機(jī)械無(wú)級(jí)變速器如圖 2.2 所示多采用這種傳動(dòng)。在圖 2 中,主動(dòng)輪按箭頭方向移動(dòng)時(shí)，從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速便連續(xù)地變化，當(dāng)主動(dòng)輪移過(guò)從動(dòng)輪軸 線時(shí) 從動(dòng)輪就反向回轉(zhuǎn)。摩擦輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比調(diào)節(jié)方便、過(guò)載時(shí) 尚能產(chǎn)生打滑而避免損壞裝置，但傳動(dòng)比不準(zhǔn)確、效率低、磨損大，而且通常軸上受 力大，所以主要用于傳遞動(dòng)力不大或需要無(wú)級(jí)調(diào)速的情況。對(duì)摩擦材料的主要要求是： 耐磨性好、摩擦系數(shù)大和接觸疲勞強(qiáng)度高。在高速、高效率和要求尺寸緊湊的傳動(dòng)中， 常采用淬火鋼對(duì)淬火鋼，并在油中工作。干式摩擦傳動(dòng)常采用鑄鐵對(duì)鑄鐵、鋼鐵對(duì)木 材或布質(zhì)酚醛層壓板，或在從動(dòng)輪面覆蓋一層皮革、石棉基材料或橡膠等。摩擦輪傳 第 2 章 設(shè)計(jì)方案的選擇與分析 4 動(dòng)的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)所需傳遞的圓周力計(jì)算壓緊力。用金摩擦輪傳動(dòng)作為摩擦材料時(shí) 應(yīng)限制工作面的接觸應(yīng)力；用非金屬時(shí)則限制單位接觸線上的壓力。 圖 2.2 無(wú)極變速器 優(yōu)點(diǎn)： （1）制造簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲很小。 （2）過(guò)載時(shí)發(fā)生打滑，故能防止機(jī)器中重要的零件損壞。 （3）能無(wú)極的改變傳動(dòng)比。 缺點(diǎn)： （1）效率低。 （2）當(dāng)傳遞同樣大的功率時(shí)， ；輪廓尺寸和作用在軸與軸承上的荷載都 比齒輪傳動(dòng)大。 （3）不宜傳遞很大功率。 （4）不能保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。 （5）干摩擦?xí)r磨損快、壽命低。 （6）必須采用壓緊裝置。 2.1.2 推進(jìn)裝置設(shè)計(jì) 推進(jìn)裝置根據(jù)應(yīng)用的設(shè)備不同，按其傳動(dòng)方式分為不同的幾個(gè)類(lèi)型。具體為： 空氣送料裝置：利用氣動(dòng)裝置進(jìn)行送料； 自動(dòng)送料裝置：通過(guò)機(jī)械手臂進(jìn)行送料； 滾輪送料裝置：通過(guò)滾輪進(jìn)行送料； 電磁送料裝置：通過(guò)電磁原理進(jìn)行送料； 摩擦輪是借助于摩擦力來(lái)推進(jìn)傳感器的。摩擦輪推進(jìn)是直接接觸的,所占空間小,推 進(jìn)零件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制造,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),工作時(shí)噪音很小?；谝陨峡紤],本系統(tǒng)使用兩 第 2 章 設(shè)計(jì)方案的選擇與分析 5 個(gè)大小相等的帶有凹槽的摩擦輪,傳感器被夾持在兩摩擦輪凹槽之間,依靠摩擦輪和傳感 器表面之間的摩擦力,利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光柵傳感器。在電機(jī)座上,與主動(dòng) 摩擦輪同軸安裝步進(jìn)電機(jī)。在碼盤(pán)座上,從動(dòng)摩擦輪與光電碼盤(pán)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)同軸安裝。 旋動(dòng)手柄,使碼盤(pán)座沿著導(dǎo)軌 8 靠近主動(dòng)摩擦輪方向滑動(dòng),通過(guò)手柄上的彈簧調(diào)整兩摩擦 輪之間的間隙,從而可以靈活改變介入力大小。增量式光電碼盤(pán)作為反饋檢測(cè)元件,根據(jù) 其輸出脈沖源和脈沖計(jì)數(shù)可以用來(lái)確定傳感器的介入方向和推進(jìn)距離。 2.2 間歇送進(jìn)機(jī)構(gòu)及其工作原理 2.2.1 機(jī)構(gòu)原理 間隙送進(jìn)機(jī)構(gòu)利用電磁鐵的吸合，完成機(jī)械手的開(kāi)合動(dòng)作。利用步進(jìn)電機(jī)、絲杠 螺母和滑動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的前進(jìn)后退。利用步進(jìn)電機(jī)和齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋 轉(zhuǎn)。共有兩個(gè)機(jī)械手，其中一個(gè)固定在外壁上，另外一個(gè)固定在導(dǎo)軌滑塊上，兩個(gè)機(jī) 械手配合完成內(nèi)窺鏡的間隙式旋轉(zhuǎn)介人。圖 2.3 為整體結(jié)構(gòu)圖，右旋轉(zhuǎn)體、左旋轉(zhuǎn)體和 大齒輪，通過(guò) 6 根支桿、連接塊、緊定螺釘、彈簧墊圈和螺母等固接成一體?；瑒?dòng)導(dǎo) 軌通過(guò)導(dǎo)軌支板安放在兩根支撐連接桿上。一只機(jī)械手固定在軸承支板上，另外一只 機(jī)械手固定在導(dǎo)軌滑塊上，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)一對(duì)傳動(dòng)齒輪、利用絲杠螺母，實(shí)現(xiàn)抓 手在導(dǎo)軌上的前進(jìn)后退。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)，使大齒輪、左右旋轉(zhuǎn)體、連接桿、 導(dǎo)軌和機(jī)械手整體繞機(jī)械手中心旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)介人。 第 2 章 設(shè)計(jì)方案的選擇與分析 6 圖 2.3 間歇送進(jìn)機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)圖 2.3 方案的選擇 經(jīng)過(guò)比較分析，我選擇利用摩擦輪連續(xù)介入機(jī)構(gòu)的方案，該方案結(jié)構(gòu)精密且機(jī)構(gòu) 原理簡(jiǎn)單易懂，成本低，工作效率高。摩擦輪是借助于摩擦力來(lái)推進(jìn)傳感器的。摩擦 輪推進(jìn)是直接接觸的,所占空間小,推進(jìn)零件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制造,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),工作時(shí)噪音 很小。最為關(guān)鍵的是該機(jī)構(gòu)通過(guò)光電碼盤(pán)可以與電腦相連，這樣可以通過(guò)電腦軟件來(lái) 控制推進(jìn)裝置，實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡的前進(jìn)、后退，并可以控制內(nèi)窺鏡的推進(jìn)速度。簡(jiǎn)單方便， 可靠高效。因此，我選擇用這個(gè)設(shè)計(jì)方案。 2.4 主要參數(shù)設(shè)計(jì) 醫(yī)學(xué)上作內(nèi)窺鏡使用的柔性桿.柔性光纖內(nèi)窺鏡利用光導(dǎo)纖維的傳光、傳像原理及 其柔軟彎曲性能，可以對(duì)設(shè)備中肉眼不易直接觀察任何隱蔽部位(管道、腔體、復(fù)雜構(gòu) 件等)方便地進(jìn)行直接快速的檢查，無(wú)需拆卸、破壞被測(cè)物就能進(jìn)行檢查內(nèi)部微痕跡、 毛刺、裂紋、焊縫等缺陷。 設(shè)定參數(shù)如下: （1）內(nèi)窺鏡直徑:10mm （2）內(nèi)窺鏡推進(jìn)速度 0-30mm/s （3）自由度數(shù):1 個(gè)自由度，水平移動(dòng) （4）定位精度 :0. 5mm （5）傳動(dòng)方式:齒輪傳動(dòng) （6）控制方式:步進(jìn)電機(jī)控制. 2.5 課題任務(wù) （1）連續(xù)介入機(jī)構(gòu)的原理分析； （2）機(jī)械手夾持力和位移分析； （3）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算及電機(jī)的選型。 （4）零件裝配圖及主要零件圖。 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 連續(xù)介入機(jī)構(gòu)的原理分析 系統(tǒng)主要由 3 個(gè)部分組成:傳感器、推進(jìn)裝置、控制系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)采集部分如圖 1 所示。介入裝置 5、推進(jìn)傳感柔性桿,以適當(dāng)?shù)乃俣群土膬?nèi)窺鏡工作鉗道進(jìn)入內(nèi)窺鏡, 控制系統(tǒng)和信號(hào)采集和處理模塊控制傳感柔性桿在工作鉗道中等距離采樣數(shù)據(jù),同時(shí)反 饋給 PC。圖 3.1 中,下位機(jī)控制系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng)。它占傳感器的數(shù)據(jù)采樣 檢查儀器 2 共同完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理部分的功能。PC 機(jī)可以作為系統(tǒng)上位機(jī)控制 系統(tǒng),設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面,用串行通信方式和下位機(jī)通信,用于控制介入裝置的工作和 控制信號(hào)采集和處理器的工作。 1.控制系統(tǒng) 2.光纖關(guān)柵解調(diào)儀 3.光纖光柵傳感器 4.PC 5.推進(jìn)裝置 圖 3.1 推進(jìn)系統(tǒng)系統(tǒng)圖 3.1.1 推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì) 摩擦輪是借助于摩擦力來(lái)推進(jìn)傳感器的。摩擦輪推進(jìn)是直接接觸的,所占空間小, 推進(jìn)零件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制造,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),工作時(shí)噪音很小?；谝陨峡紤],本系統(tǒng)使 用兩個(gè)大小相等的帶有凹槽的摩擦輪,傳感器被夾持在兩摩擦輪凹槽之間,依靠摩擦輪 和傳感器表面之間的摩擦力,利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光柵傳感器。在電機(jī)座 2 上,與主動(dòng)摩擦輪 4 同軸安裝步進(jìn)電機(jī) 6。在碼盤(pán)座 9 上,從動(dòng)摩擦輪 7 與光電碼盤(pán) 1 通 過(guò)聯(lián)軸節(jié)同軸安裝。旋動(dòng)手柄 3,使碼盤(pán)座沿著導(dǎo)軌 8 靠近主動(dòng)摩擦輪方向滑動(dòng),通過(guò)手 柄上的彈簧調(diào)整兩摩擦輪之間的間隙,從而可以靈活改變介入力大小,推進(jìn)原理圖如圖 3.2 所示。增量式光電碼盤(pán)5作為反饋檢測(cè)元件,根據(jù)其輸出脈沖源和脈沖計(jì)數(shù)可以用來(lái) 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 確定傳感器的介入方向和推進(jìn)距離。 1.光電碼盤(pán) 2.電機(jī)座 3.手柄 4.主動(dòng)摩擦輪 5.電機(jī)罩 6.步進(jìn)電機(jī) 7.從動(dòng)摩擦輪 8.導(dǎo)軌 9.碼盤(pán)座 圖 3.2 推進(jìn)原理圖 3.2 機(jī)械手夾持力和位移分析 3.2.1 機(jī)械手夾持力分析 該機(jī)構(gòu)介入力的調(diào)整，是依靠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，調(diào)整兩個(gè)摩擦輪之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn) 的。摩擦輪之?dāng)?shù)和介入力大小之間的確切關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了一組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 證明，螺栓旋緊圈數(shù)愈多，介入力愈大。 3.2.2 位移分析 增量式光電碼盤(pán)作為反饋檢測(cè)元件,根據(jù)其輸出脈沖源和脈沖計(jì)數(shù)可以用來(lái)確定傳 感器的介入方向和推進(jìn)距離。系統(tǒng)的光電碼盤(pán)為增量式光電編碼器,型號(hào)為 E6A2-CWZ3C,精 度為 500P/R;步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為 35HS27DF05-02,細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在 40 細(xì)分狀態(tài)。即控制 系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)步進(jìn)脈沖,電機(jī)只轉(zhuǎn)動(dòng) 0.045,摩擦輪有效周長(zhǎng) 51mm,可以推算出每一 個(gè)步距角推進(jìn)傳感頭的位移為:0.04551/360=0.0064mm。在系統(tǒng)復(fù)位以及加載完 設(shè)定參數(shù)后,推進(jìn)裝置將帶有光纖光柵傳感頭的傳感器沿內(nèi)窺鏡的工作鉗道漸進(jìn)式推進(jìn)。 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 3.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算及電機(jī)的選型 該機(jī)構(gòu)介入力的調(diào)整，是依靠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，調(diào)整兩個(gè)摩擦輪之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn) 的。摩擦輪之?dāng)?shù)和介入力大小之間的確切關(guān)系。下圖 3.3 是機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理圖。 圖 3.3 傳動(dòng)原理圖 該機(jī)構(gòu)通過(guò)連接在步進(jìn)電機(jī)軸上的小齒輪吧動(dòng)力傳給與之嚙合的一個(gè)雙聯(lián)齒輪。 這個(gè)雙聯(lián)齒輪固定在軸 1 上，而這個(gè)雙聯(lián)齒輪的小齒輪與軸 2 上的一個(gè)同齒數(shù)齒輪嚙 合，把動(dòng)力傳給軸,軸 2 和軸 1 下端同時(shí)安裝有皮帶輪，皮帶輪夾緊之間的內(nèi)窺鏡，帶 動(dòng)內(nèi)窺鏡推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退。 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。 每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比 例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。 步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體 化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。 步進(jìn)電機(jī)的選擇有一下幾個(gè)步驟： 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 圖 3.4 電機(jī)傳動(dòng)圖 （1）速度曲線的確定： svltl 01.65.1270 加 速 時(shí) 間 (3.1) （2）電機(jī)轉(zhuǎn)速 (3.2) （3）負(fù)載力矩 (3.3) （4）負(fù)載慣量 (3.4) （5）加速力矩 MSLm JTfgJT 40178.318031.2 (3.5) S 是安全系數(shù)，一般為 2 （6）電機(jī)選擇 根據(jù)上面的計(jì)算，步進(jìn)電機(jī)選擇 42BYG250A-0151)(10.24mkgJM轉(zhuǎn) 子 慣 量 .(38.)(MNTLa必 須 轉(zhuǎn) 矩 第 4 章 裝置零件設(shè)計(jì)及校核 11 第 4 章 裝置零件設(shè)計(jì)及校核 機(jī)器（部件）的裝配圖是表達(dá)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)機(jī)器總體結(jié)構(gòu)意圖的圖樣，也是制造、 裝配機(jī)器及繪制零件工作圖的技術(shù)依據(jù)。因此，繪制裝配圖是機(jī)器設(shè)計(jì)過(guò)程中的重 要環(huán)節(jié)，必須綜合考慮強(qiáng)度、剛度、加工、裝拆、調(diào)整和密封等多方面的要求。 機(jī)器（部件）的裝配圖的設(shè)計(jì)及繪制過(guò)程比較復(fù)雜，因此必須先作裝配草圖設(shè) 計(jì)，然后再經(jīng)過(guò)討論修改，最后加深或重新繪成正式的裝配圖。 裝配草圖設(shè)計(jì)包括計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制圖等內(nèi)容，而且計(jì)算與制圖常需交叉進(jìn) 行。其基本任務(wù)為： 1 確定各零件的結(jié)構(gòu)尺寸，以及它們?cè)跈C(jī)器的相互位置關(guān)系 2 得出校核零件強(qiáng)度（剛度）所需的尺寸及數(shù)據(jù)。 4.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：在軸系零、部件的具體結(jié)構(gòu)未確定之前，軸上力的作用點(diǎn)和 支點(diǎn)之間的跨距無(wú)法精確確定，故彎矩大小和分布情況不能得出，因此，在軸的設(shè) 計(jì)中，必須把軸的強(qiáng)度計(jì)算和軸系零、部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)交錯(cuò)進(jìn)行，邊畫(huà)圖、邊計(jì)算、 邊修改。 軸的設(shè)計(jì)程序是： （1）根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)方案的整體布局，擬定軸上零件的布置和裝配方案； （2）選擇軸的合適材料； （3）初步估計(jì)軸的直徑； （4）進(jìn)行軸系零、部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； （5）進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算； （6）根據(jù)計(jì)算結(jié)果修改設(shè)計(jì)。 4.1.1 軸的設(shè)計(jì) 1）軸的材料選擇和最小直徑的估算 根據(jù)工作條件，初選軸的材料為 40 rC，調(diào)質(zhì)處理。按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法進(jìn)行最小直徑估 算，即： 3nAd0minP 。除去算軸徑時(shí)，若最小直徑軸段開(kāi)有鍵槽，還要考慮鍵槽對(duì)軸 第 4 章 裝置零件設(shè)計(jì)及校核 12 的強(qiáng)弱的影響。當(dāng)該軸段截面上有一個(gè)鍵槽時(shí)，d 要增大 5%7%， 兩個(gè)鍵槽 增大 10%15%。 0A由查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得知，對(duì)于 40 rC， 0A的范圍為 112-97。 確定 ：高軸 1 1 從動(dòng)軸 1 02 mmNPAd 83 1 1 011 高速軸： 同理可得 中間軸為 8mm 4.1.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 4.1 軸的結(jié)構(gòu)圖 4.1.3 軸的校核 本文對(duì)各軸進(jìn)行了校核計(jì)算，均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，受篇幅所限，下面僅以高速軸為 例進(jìn)行校核計(jì)算過(guò)程。 1）軸的力學(xué)模型的建立 1軸上力的作用點(diǎn)位置和支點(diǎn)跨距的確定 齒輪對(duì)軸的作用點(diǎn)按簡(jiǎn)化原則應(yīng)在齒輪寬度的中點(diǎn)，因此可決定中間軸上兩齒輪 力的作用點(diǎn)的位置。軸上安裝的軸承是 6002，可知它的負(fù)荷作用中心到軸承外斷面的 距離 a=3.5mm。故可以算出支點(diǎn)跨距和軸上各力作用點(diǎn)相互位置尺寸。高速級(jí)齒輪作 用點(diǎn)到靠近它的斷面的距離 L1=25mm，兩齒輪作用點(diǎn)之間的距離 L2=68mm 第 4 章 裝置零件設(shè)計(jì)及校核 13 圖 4.2 軸上零件的裝配方案 由于整個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主軸要從一側(cè)裝入，所以軸要從右到左直徑遞減，而且在 兩個(gè)軸承之間軸的直徑要相同。兩端軸承用同一個(gè)尺寸，以便于購(gòu)買(mǎi)、加工、安裝和 維修。 軸肩：定位簡(jiǎn)單可靠，不需附加零件，能承受較大軸向力，廣泛應(yīng)用于軸上零件 的固定。 圓螺母：定位可靠，能實(shí)現(xiàn)軸上零件的間隙調(diào)整。常用于軸上零件之間，也可以 用于軸端。 平鍵：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在軸上加工鍵槽，則齒輪輪可以靠平鍵在軸上定位 2）軸上零件的周向定位 帶輪與軸的周向定位采用過(guò)盈配合。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，并考慮便于加工，取鍵槽適 用的鍵的規(guī)格為剖面尺寸 bh=6 6 12。配合選用 H7/k6。 滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸的配合采用基孔制，主軸與軸承的配合為 H7/k6。 為了保證零件與定位面靠緊，軸上過(guò)渡圓角不應(yīng)過(guò)大，軸肩處的過(guò)渡圓角應(yīng)小于軸承 的圓角，最后決定取 R1。 3）考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性 1考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性，在軸的左端與右端均制成 145 倒角。 2為了保證軸向定位零件壓緊于軸上的零件，裝零件的軸段長(zhǎng)度應(yīng)較軸承套圈寬 度短 2-3mm。 4）繪制軸力學(xué)模型圖 如下圖 4.3 所示 第 4 章 裝置零件設(shè)計(jì)及校核 14 圖 4.3 軸力學(xué)模型圖 1. 計(jì)算軸上的作用力 大齒輪： (4.1) .355d12T1FF t2t1 (4.2) N6.131costanFF nt1r2 (4.3) N7.353d2TF 2 2 t3 小齒輪： (4.4) NF 5.183tanFt12 (4.5) NF 4.192tanFt13 (4.6) N8.324costanFF nt1r3 皮帶輪： (4.7) N5.234d12T1FF t2t1 (4.8) N6.201costanFF nt1r2 (4.9) N7.353d2TF 2 2 t3 N 第 4 章 裝置零件設(shè)計(jì)及校核 15 圖 4.4 垂直面內(nèi)支反力 5）計(jì)算支反力 1垂直面內(nèi)支反力 如上圖 4.4 由于繞支點(diǎn) B 的力矩和 0BVM,得： NFRAV108, FRCV127 方 向如圖 . 2水平面內(nèi)支反力 圖 4.5 水平面內(nèi)支反力示意圖 由于繞支點(diǎn) B 的力矩和 0BHM 得： NFRAH357方向如圖 4.5 NFRCH374 方向與圖中相反 6）計(jì)算總支反力 A 點(diǎn)總支反力帶入已算得數(shù)值得: NFRA372 C 點(diǎn)總支反力帶入已算得數(shù)值得: C94 7）計(jì)算彎矩 1垂直面內(nèi)彎矩 B 處彎矩： LFMRAVB231左 (4.10) NV4右 (4.11) 2水平面內(nèi)彎矩 B 處： RAVC51 (4.12) 第 4 章 裝置零件設(shè)計(jì)及校核 16 合成彎矩 M=6152N 8）校核 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和轉(zhuǎn)矩的截面（即危險(xiǎn)截面 D）的強(qiáng) 度。 MPadWca67.231.0 (4.13) 根據(jù)選定的軸的材料 40 rC，調(diào)制處理，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得： a70 1-MP 因?yàn)椋?1-ca 故強(qiáng)度足夠。 4.2 齒輪設(shè)計(jì) 選定高速級(jí)齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) (1) 選定高速級(jí)齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) (2) 材料選擇及熱處理。查閱機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇大、小齒輪的材料均為 40Cr， 并經(jīng)調(diào)制處理及表面淬火，齒面硬度為 4855HRC。 (3) 柔性桿推進(jìn)裝置為一般機(jī)械，故選用 8 級(jí)精度。(GB 10095-88) (4) 選小齒輪齒數(shù) 1z24 則根據(jù)傳動(dòng)要求，大齒輪齒數(shù)則為：6.9512Zi (4.14) (5) 選取螺旋角。初選螺旋角 14。 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 32d1tt1u2HEZT (4.15) 1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，查的材料的彈性影響系數(shù) a8.19EMP 2計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 已經(jīng)算出 m3.71NT；u=3.2 3試選載荷系數(shù) 1.3t。 4查設(shè)計(jì)手冊(cè)選取區(qū)域系數(shù) 4.2Zh。 5因大、小齒輪均為硬齒面，故宜選取稍小的齒寬系數(shù)，先取 1d。 6查設(shè)計(jì)手冊(cè)得 0.9HN1， 0.95HN2, a601PLIM, a502PLIM. 7計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力（失效概率 1%，安全系數(shù) S=1） a46.1HN1 PSLIM (4.16)5.2509.22LI (4.17) 第 4 章 裝置零件設(shè)計(jì)及校核 17 2）計(jì)算 1試算小齒輪分度圓直徑 mm.315.5222.31 8.1892.410203.73.132.2d 3 2 24 t1 2計(jì)算齒寬 b 及模數(shù) ntm。 dt14 (4.18) m=2.45 5.h (4.19) 3計(jì)算載荷系數(shù) K。 根據(jù) 8 級(jí)精度，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得動(dòng)載荷系數(shù) 1.2kv；繼續(xù)查閱資料得1.4k fah ；繼續(xù)查閱，由于小齒輪相對(duì)支撐對(duì)稱(chēng)布置，8 級(jí)精度，故取 1.23kh， 故載荷系數(shù)為： 07.23.14.khavA (4.20) 另得： 2.F 4按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算的的分度圓直徑。 7.36.1031tttkd (4.21) 5計(jì)算模數(shù)。 2m1z dt (4.22) (6) 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 3a2da31nzFSYCOT (4.23) 1) 確定計(jì)算參數(shù) 1計(jì)算載荷系數(shù)。 07.23.142.khavA 2根據(jù)縱向重合度 52.1，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得螺旋角影響系數(shù) 0.8aFY。 3計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)。 8.64cosz331v1 (4.24).9.53322v (4.25) 4查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度彎曲疲勞壽命系數(shù) a6201MPFE，8.0K,.FN2FN1 。 5計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力。 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，則得： 第 4 章 裝置零件設(shè)計(jì)及校核 18 a7.389.162022 MPSKLIMHNF (4.26) 4.511I (4.27) 6查取齒形系數(shù)。 查閱資料得： 26.6.2aa1FFY， 7查取應(yīng)力校正系數(shù)。 查閱資料得： 74.1,58.2a1aSS 8計(jì)算大、小齒輪的 1F并加以比較。 07.389621aFSY14.2a 小齒輪的數(shù)值較大。 2) 設(shè)計(jì)計(jì)算 m4.165.12407.cos8073.m3 2nt ）（ 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù) n與由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì) 算的法面模數(shù)相差不大，故取 nm=2.5mm ，取分度圓的直徑 dt321。 2.3cos1ndz (4.28) z1 取 24，z2=24x3.78=94.6 z2 取 96 同理可得這個(gè)雙聯(lián)齒輪的另一個(gè)齒輪齒數(shù)為 72 4.3 軸承的選擇以及計(jì)算 軸承校核的方法均一致，在前面的軸校核中我們已經(jīng)得知，中間軸 2 的受力軸向 力最大，故軸承也最危險(xiǎn)，故選擇軸承組 2 為例來(lái)校核。高速軸和低速軸經(jīng)過(guò)校核， 均符合要求。 (1) 軸承選擇。 軸承類(lèi)型 ：深溝球軸承，軸承代號(hào)：6002 軸承參數(shù) ：軸承內(nèi)徑：15 軸承外徑：32 軸承寬度：9 第 4 章 裝置零件設(shè)計(jì)及校核 19 (2) 設(shè)計(jì)校驗(yàn) 1) 徑向載荷 Fr A 點(diǎn)支反力: NRA3721 C 點(diǎn)支反力: Cr942 外部軸向力 .-a23ae，從最不利受力情況考慮， aeF指向 A 處 1 軸承（方 向向左） ； 2) 軸承派生軸向力： （方向向右） NYFF 7.2562 1t1d （方向向左） NYFF 9.2762 2t2d 因?yàn)椋?1d2ae , 故 A 處 1 軸承壓緊，C 處 2 軸承放松。故：Fda491 ， da5242 當(dāng)量動(dòng)載荷：（載荷系數(shù) .fp）e.025.r1a：軸 承 NYFfPaRp36)4.(1故 (4.29)era29.0.22： 因軸 承 (4.30) N376YFF0.4fp a2r2p2 (3) 驗(yàn)算軸承壽命 因 12，故只需驗(yàn)算 1 軸承。軸承預(yù)期壽命與整機(jī)壽命相同，為： 8(年） X300（天）X8（小時(shí)）=19200h 。 h920783fn6021th PCL （其中溫度系數(shù) 1ft） (4.31) 故軸承具有足夠壽命。 4.4 鍵連接的選擇以及校核計(jì)算 以中間軸外伸裝配齒輪軸段鍵為例： 因?yàn)?d=12mm，l=30mm 所以選擇普通平鍵 A 型 ml3044hb 校核： 鍵的工作長(zhǎng)度 l=L-b=15mm；鍵的接觸高度 K=0.5h=2mm； 第 4 章 裝置零件設(shè)計(jì)及校核 20 mNT.5432轉(zhuǎn) 矩 ： 材料為 45 鋼調(diào)質(zhì)，所以 a120pMP， ppa98.67ld10 MP 故強(qiáng)度合格。 其他各軸鍵的選擇和校核均以此例，不再贅述。 總結(jié)與展望 21 總結(jié)與展望 一、總結(jié) 內(nèi)窺檢查機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí), 通過(guò)充入氣體的膨脹橡膠囊與腔道壁接觸, 具有較好 的柔軟性。 壓覺(jué)傳感器檢測(cè)機(jī)器人與腔道壁之間作用力的大小和方位, 為機(jī)器人提供 避障、 彎曲等信息, 以調(diào)整內(nèi)窺檢查機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和方向, 使其適應(yīng)腔道的變化, 避免穿孔等醫(yī)療事故的發(fā)生。傳感與主動(dòng)介入技術(shù)對(duì)腔道組織損害程度極小, 具有較 高的安全性, 還可減輕醫(yī)務(wù)人員的工作強(qiáng)度, 提高內(nèi)窺檢查的效率。 醫(yī)用內(nèi)窺鏡在不同的時(shí)期都促進(jìn)了醫(yī)學(xué)事業(yè)的不斷發(fā)展。今后隨著電子技術(shù)及其他 科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信其技術(shù)會(huì)有更廣更深的發(fā)展。 它非但能完成當(dāng)今所完成的 任何一項(xiàng)工作，還會(huì)加用特殊光譜的 CCD 提供新的診療圖像信息，還可用圖像處理技 術(shù)獲得病變組織的特殊圖像，并能用圖像分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)病變的定量分析和定量診斷， 還可通過(guò)電訊手段進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診。 多功能的電子內(nèi)窺鏡已經(jīng)問(wèn)世，它不但能獲得組織 器官形態(tài)學(xué)的診斷信息，而且也能對(duì)組織器官各種生理機(jī)能進(jìn)行測(cè)定。 醫(yī)用內(nèi)窺鏡技 術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)顯示出它的強(qiáng)大生命力，相信明天會(huì)做出更輝煌的貢獻(xiàn)。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我對(duì)柔性桿自動(dòng)推進(jìn)裝置有了一個(gè)全面地了解，了解了柔性桿技術(shù) 在現(xiàn)在以及以后機(jī)械工業(yè)中所起的作用，明白了柔性桿的在以后工業(yè)的發(fā)展中所扮演 的角色,為自己今后更好的學(xué)習(xí)柔性桿指明了方向。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，進(jìn)行了融會(huì)貫通，有了一個(gè)全新 的認(rèn)識(shí)，對(duì)以前許多不太清楚的地方，通過(guò)問(wèn)老師和查資料的方法，已經(jīng)明白了很多， 知道了自己以前學(xué)習(xí)的不足，所以以后應(yīng)該更加努力。 此次設(shè)計(jì)，我認(rèn)為最重要的就是使我明白了，無(wú)論做什么事情，要想做好，必須態(tài) 度端正；要善于學(xué)習(xí)，時(shí)刻學(xué)習(xí)；做事要嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真，細(xì)致、不怕吃苦，還要有創(chuàng)新 精神。 二、今后研究方向 傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡在介入過(guò)程中會(huì)發(fā)生鏡體纏繞、非預(yù)期結(jié)襻等情況，給病人帶來(lái)痛苦和 危險(xiǎn)?；谄惹械呐R床需求和良好的市場(chǎng)前景，用智能傳感器技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及可 視化技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新研究已經(jīng)在世界范圍內(nèi)展開(kāi)。其中，新型 的內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng)是該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 利用主摩擦輪和從摩擦輪來(lái)推進(jìn)傳 總結(jié)與展望 22 感柔性桿，這將是推進(jìn)裝置的發(fā)展趨勢(shì)。 參考文獻(xiàn) 23 參考文獻(xiàn) 1 IKuta，et al.shape memory alloy servo actuator system with electric resistance feedback and application for active endoscope，Proc of IEEE Conference on Robotics and System，1988 2 Robert H. Sturges Laowattana. Flexible Tendon-controlled device for endoscopy The International Journal of Robotics Research，1993，12(2):121 一 131 3 高立明，林良明，顏國(guó)正，等. 全方向蠕動(dòng)機(jī)器人馭動(dòng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的研究.中國(guó)生物 醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào).1998，17(1):3641 4 朱宏擎，林良明，高立明等.新型能動(dòng)內(nèi)窺鏡數(shù)字圖像處理方法的探討.上海工程技 術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào).1999，13(4):